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由于人們只注重現(xiàn)代工藝方法和新材料的開發(fā)研制，而忽略了機械加工過程中殘余應(yīng)力的影響。實際上，在構(gòu)件的使用過程中，發(fā)生破壞事故時，除了材料本身的結(jié)構(gòu)和強度外，還與殘余應(yīng)力的影響有密切關(guān)系。因此，研究分析材料加工過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、分布情況就很有必要了。本文主要對焊接毛胚沖壓成形過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進行測試分析。

試驗方法及條件

殘余應(yīng)力測試方法采用盲孔法，儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成。進行標(biāo)定試驗，確定相關(guān)系數(shù)。試驗材料為耐候鋼09CuPCrNi和奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti。試驗條件：試驗材料為冷軋板材，尺寸為200mm*50mm*3mm。接頭形式為對接，焊接規(guī)范模擬生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝。其中耐候鋼采用手工電弧焊，焊條為J502NiCu，電流為110A，電壓為27-30V，焊速為50-60cm/min。不銹鋼采用MIG焊，焊條為E-0-19-10-15，電流為80-100A，電壓為24V，焊速為10-14cm/min。兩種被焊材料的焊接方向均為從一端向另一端不間斷焊接。

實驗結(jié)果及分析

平板對接焊縫殘余應(yīng)力測試

每個測量點橫向距離為1mm，縱向距離為6mm。

選取幾個特殊的點：A為焊縫中心，拉應(yīng)力*大；B點靠近熔合線；C點處于過熱區(qū)；D點遠離焊縫，屬母材區(qū)。

由表1可知，焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，由于1Cr18Ni9Ti在焊接過程中具有較大的壓縮塑性變形，因而拉伸應(yīng)力峰值較大，接近其屈服極限，并且殘余拉應(yīng)力區(qū)的寬度較大。表中σ1為縱向應(yīng)力，σ2為橫向應(yīng)力。

表1  對接焊縫殘余應(yīng)力

表2  彎曲件殘余應(yīng)力測量結(jié)果

彎曲件殘余應(yīng)力測試

表2是彎曲件殘余應(yīng)力測量結(jié)果，值得注意的是，殘余壓應(yīng)力區(qū)厚度為δ/2-δ/3=δ/6，所以鉆孔時，鉆孔深度為δ/6mm（δ為板厚）。

A點是焊縫中心，B點是焊縫以外一點。σ₁為切向應(yīng)力，σ₂為寬度方向應(yīng)力。

母材彎曲件變形區(qū)切向殘余應(yīng)力為負，寬度方向殘余應(yīng)力為正，焊接未彎件切向殘余應(yīng)力為正，橫向殘余應(yīng)力為正（見表1中A、B點的應(yīng)力值）。從表2可看出，彎曲后A點的縱向殘余應(yīng)力為正，寬度方向殘余應(yīng)力為負，與母材相比有很大的變化，切向殘余應(yīng)力由原來的壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，其原因就是彎曲前的焊接殘余應(yīng)力引起的，雖然彎曲時外表面拉伸變形釋放了一部分殘余應(yīng)力，但由于焊接殘余應(yīng)力較大，彎曲后仍是拉應(yīng)力。

拉伸件殘余應(yīng)力測試

A點為筒底中心，B點為底部與筒壁相切處，C點為圓筒件口部一點。環(huán)形焊縫的焊接件B點位于環(huán)形焊縫的中心。在筒壁上，σ1為周向切應(yīng)力，σ2為軸向應(yīng)力。

表3  09CuPCrNi拉伸件殘余應(yīng)力

表4  1Cr18Ni9Ti拉伸件殘余應(yīng)力

試驗結(jié)果表明:在A點處，母材和環(huán)形焊縫拉深件殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，由于材料變形時為雙向拉伸，卸載后的兩向殘余應(yīng)力基本一樣，與B、C兩點比較，該點殘余應(yīng)力較小，帶縱向焊縫的試樣A點為殘余拉應(yīng)力，是焊縫原有的殘余應(yīng)力部分釋放后的結(jié)果。

由圖1、2可以看出，帶焊縫試樣的切向殘余應(yīng)力峰值較大，尤其是環(huán)形焊縫處，殘余拉應(yīng)力接近材料本身的屈服極限。在筒形件端口，切向拉應(yīng)力也較大。帶縱向焊縫的試樣，應(yīng)力值*大。焊縫處切向拉應(yīng)力明顯增大的原因是焊縫本身的殘余拉應(yīng)力和沖壓過程中形成的殘余應(yīng)力拉應(yīng)力疊加的結(jié)果。

結(jié)論

焊接接頭本身的殘余應(yīng)力較大，沖壓成形后，殘余應(yīng)力的大小和性質(zhì)發(fā)生較大的變化。沖壓過程本身就是一個不均勻塑性變形過程，變形過程中不同部位材料受力狀態(tài)及變形效果均不同，焊縫受拉發(fā)生伸長變形時殘余應(yīng)力下降，但焊縫發(fā)生壓縮變形時，殘余應(yīng)力*大值接近材料的屈服極限。如環(huán)形焊縫試件拉深后，切向應(yīng)力高達307MPa，在使用過程易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。